Sự có mặt của ion clorua trong bêtông có thể do nhiều nguyên nhân như dùng phụ gia đông cứng nhanh có chứa ion clorua (CaCl2, khá phổ biến trong thập niên 70); dùng cốt liệu, nước trộn có chứa ion clorua… Tuy nhiên, đối với các kết cấu BTCT vùng biển, nguyên nhân chủ yếu là do sự xâm thực của ion clorua từ môi trường. Quá trình xâm thực của ion clorua vào bêtông chủ yếu theo 4 cơ chế sau:
Sự hút mao dẫn do sức căng mặt ngoài: Nếu bề mặt kết cấu bêtông không bão hòa khi tiếp xúc với môi trường nước chứa ion clorua, dưới áp lực mao dẫn, nước chứa ion clorua sẽ xâm nhập vào bêtông bề mặt đến độ sâu khoảng 5÷15 mm chỉ trong vòng vài giờ đến vài ngày. Cơ chế này có thể gây nên sự xâm thực đáng kể của clorua vào lớp bêtông bảo vệ. Về mặt lý thuyết, độ cao cột nước mao dẫn trong bêtông với kích thước lỗ rỗng mao dẫn khoảng 10-6m có thể đạt đến 15 m. Nếu bề mặt kết cấu chịu tác động chu kỳ khô ẩm của nước chứa ion clorua, hệ thống lỗ rỗng sẽ tiếp tục hấp thu và tích trữ ion clorua, dẫn đến lớp bêtông bảo vệ chịu ảnh hưởng của cơ chế này có nồng độ ion clorua khá cao. Đây là trường hợp của phần bêtông ở vùng nước lên xuống và sóng táp.
Sự khuyếch tán do chêch lệch nồng độ ion clorua: Khi có sự chêch lệch nồng độ ion clorua, ion clorua sẽ dịch chuyển từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn. Như vậy, dưới tác động của cơ chế này, ion clorua sẽ dịch chuyển từ bề mặt bêtông vào sâu trong kết cấu. Sự khuyếch tán ion clorua trong kết cấu bêtông có thể được mô tả gần đúng bằng các định luật Fick về khuyếch tán.
Thông thường, sự khuyếch tán ion clorua trong kết cấu bêtông được xem là bài
toán một chiều:
∂C/∂t = D ∂2C/∂x2. (1) Với C: Nồng độ clorua trong bêtông (kg/m3); D: Hệ số khuyếch tán (m2/s);
Từ đấy, nồng độ ion clorua C(x,t) tại độ sâu x và thời điểm t có thể được tính như sau:
Cx,t = Cs – (Cs - C∞) erf[x/(4Dt)1/2] (2)
Với CS: Nồng độ ion clorua tại lớp ngoài cùng của lớp bêtông bề mặt (kg/m3
); C∞: Nồng độ ion clorua ban đầu trong kết cấu bêtông (kg/m3
); Hàm sai số: = ∫ − y u du e y erf 0 2 2 ) ( π
Dựa trên công thức này, ta có thể tính được thời gian để nồng độ ion clorua tại bề mặt cốt thép đạt đến trị số giới hạn gây gỉ cốt thép. Đối với bêtông, hệ số khuyếch tán D thường khoảng 2x10-12 đến 3x10-12
(m2/s) và nồng độ ion clorua tại lớp ngoài cùng của lớp bêtông bề mặt CS khoảng 18 kg/m3 ở vùng nước lên xuống và sóng táp. Tuy nhiên biên độ dao động của các hệ số này khá lớn:
Hệ số khuyếch tán D thay đổi theo nhiệt độ, thời gian, khoảng cách đến bề mặt kết cấu và môi trường làm việc;
Nồng độ ion clorua tại lớp ngoài cùng của lớp bêtông bề mặt CS thay đổi theo mùa và các tác động của môi trường. Vì lý do này, thường nồng độ ion clorua CS
được xác định tại độ sâu khoảng 10 mm;
Biên độ dao động lớn của các hệ số cùng với sự ảnh hưởng của các cơ chế xâm thực khác, khả năng hấp thụ ion clorua của bêtông,... đòi hỏi sự thận trọng trong việc xử lý kết quả từ bài toán trên.
Sự thẩm thấu do chêch lệch áp lực:
Áp lực làm tăng tốc độ xâm thực ion clorua vào kết cấu BTCT;
Sự thẩm thấu do chênh lệch điện thế: Trong thực tế, quá trình xâm thực của ion clorua vào kết cấu BTCT là sự tổng hợp của các cơ chế trình bày ở trên. Ví dụ, đối với kết cấu BTCT trong vùng nước lên xuống và sóng táp, sự hút mao dẫn do sức căng mặt ngoài và sự khuyếch tán do chênh lệch nồng độ ion clorua là các cơ chế chính gây xâm thực clorua;
Ban đầu, bêtông là môi trường kiềm mạnh với độ pH khoảng từ 13,0 đến 13,8. Môi trường kiềm này tạo điều kiện hình thành lớp màng oxit thụ động bảo vệ trên bề mặt cốt thép gồm các ôxit ngậm nước của Fe2+
và Fe3+ với bề dày khoảng vài nano mét.
Hình 2.2: Giản đồ “Điện thế- Độ pH” của CT khi có Cl-.
Có thể thấy từ 2 giản đồ trên rằng, lớp màng ôxit thụ động có thể mất đi khi: Độ pH của bêtông tại bề mặt cốt thép nhỏ hơn 9 (do bị cacbonat hóa): Cần chú ý là hiện tượng cacbonat hóa bêtông chỉ xảy ra mạnh khi độ ẩm trong kết cấu bêtông khoảng 50% đến 60%. Đối với bêtông bão hòa nước (phần kết cấu ở vùng nước lên xuống, sóng táp,...), ảnh hưởng của hiện tượng này là không đáng kể. Và thông thường, việc đảm bảo chất lượng bêtông cùng với chiều dày bảo vệ cốt thép hợp lý là đủ để duy trì sự làm việc bình thường của các công trình thông thường trong niên hạn sử dụng;
Nồng độ ion clorua tại bề mặt cốt thép tăng: Một điểm quan trọng là sự có mặt của ion clorua làm thu hẹp đáng kể “vùng an toàn” của cốt thép (Xem hình 2.2). Tuy nhiên, nồng độ ion clorua trong nước lỗ rỗng tại bề mặt cốt thép phải vượt qua một “ngưỡng” nhất định trước khi màng bảo vệ ôxít bị phá vỡ. Ngưỡng này thường được qui định: (1) nồng độ ion clorua không quá 0,2% đên 0,4% khối lượng ximăng; hay (2) tỷ lệ nồng độ ion Cl-/OH- không quá 0,6. Tuy nhiên, giá trị của ngưỡng này tùy thuộc vào độ pH của bêtông (thay đổi tùy loại ximăng và cấp phối bêtông), mức độ hấp thụ vật lý và hóa học ion clorua của bêtông, sự có mặt của ôxy và hơi ẩm, cũng như lỗ rỗng tại bề mặt tiếp xúc giữa cốt thép và bêtông;
Quá trình ăn mòn cốt thép trong bêtông là quá trình điện hóa. Trong môi trường có ion Cl-, OH-, ôxy, các phản ứng catôt và anôt có thể được biểu diễn như sau: Phản ứng ở anôt khi nồng độ ion OH-
cao:
Fe + 2OH- → 1/2Fe2O3.3H2O (gỉ) + 2e-
. (3)
Ôxit sắt ngậm nước (gỉ) không hòa tan trong môi trường kiềm, tạo thành lớp màng bảo vệ trên bề mặt cốt thép;
Phản ứng ở anôt khi nồng độ ion Cl- cao:
Fe + 2Cl-→ FeCl2→ Fe2+ + 2Cl- + 2e-. (4) Phản ứng ở catôt (khi có oxy và nước):
1/2O2 + H2O + 2e-→ 2OH-. (5)
Rõ ràng, nồng độ ion clorua và ôxy cao gây ăn mòn mạnh cốt thép, trong khi nồng độ ion OH- cao làm chậm quá trình ăn mòn. Khi tỷ lệ nồng độ ion Cl-
/OH- vượt quá giá trị ngưỡng giới hạn (khoảng 0,63), xác suất xảy ra phản ứng ăn mòn anôt (4) sẽ lớn hơn xác suất hình thành màng bảo vệ anôt bởi phản ứng (3), và sự ăn mòn cốt thép bắt đầu. Một điểm đáng chú ý từ phản ứng (4) là ion clorua không bị hấp thụ trong quá trình ăn mòn.
Quá trình ăn mòn cốt thép trong bêtông có thể được chia thành 4 quá trình thành phần:
- Các phản ứng tại anôt; - Các phản ứng tại catôt;
- Dòng chuyển dời của các ion trong bêtông; - Dòng chuyển dời của các electron trong cốt thép;
Quá trình ăn mòn cốt thép trong bêtông do đó có thể được khống chế bằng cách khống chế ít nhất một trong các quá trình thành phần trên. Do độ dẫn điện trong cốt
thép thường khá cao, tốc độ ăn mòn sẽ bị khống chế khi ít nhất một trong các điều kiện sau thõa mãn:
Các phản ứng tại anôt chậm do cốt thép được bảo vệ: bêtông có nồng độ ion clorua thấp hay không bị cacbonat hóa;
Các phản ứng tại catôt chậm: không đủ oxy hòa tan tại bề mặt cốt thép. Đây là trường hợp của phần kết cấu BTCT ở sâu trong vùng ngập nước do nồng độ ôxy hòa tan trong nước biển thường thấp hơn 10ml/l (so với khoảng 210 ml/l trong không khí) và do tốc độ khuyếch tán chậm của ôxy trong môi trường bêtông bão hòa;
Dòng chuyển dời của các ion trong bêtông thấp; Cơ chế ăn mòn (Xem hình 2.3).
Hình 2. 3: Cơ chếăn mòn BT&BTCT bởi ion Cl-.